教學課件熱電式傳感器

第7章熱電式傳感器7.1熱電偶7.2熱釋電

7.1熱電偶熱電偶測溫范圍：100℃~1300℃特點：結構簡單、制作容易、精度高、溫度測量范圍寬、動態(tài)響應特性好、輸出信號便于遠傳、使用方便?！且环N有源傳感器，測量時不需外加電源。應用：測量爐子或管道的氣體、液體的溫度或固體的外表溫度.先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端〔參考端、冷端〕第二節(jié)熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端〔工作端、熱端〕熱電極B熱電勢AB7.1.1熱電偶測溫原理1、熱電效應：兩種不同材料的導體〔或半導體〕組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，那么在該回路中就會產生電動勢的現象。熱電動勢〔來源：接觸電動勢和溫差電動勢〕、熱電偶〔兩種材料的組合體〕、熱電極〔A、B兩導體〕熱端〔測量端或工作端〕、冷端〔參考端或自由端〕2、兩種導體的接觸電動勢接觸電動勢的數值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。兩接點的接觸電動勢eAB(T)和eAB〔T0〕可表示為含義：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。接觸電動勢的大小與導體的材料、接點的溫度有關，而與導體的直徑、長度、幾何形狀等無關?！粚w的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。大小表示：3、單一導體的溫差電動勢機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。4、熱電偶回路中產生的總熱電勢eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為：

熱電偶回路有四個電動勢：兩個接觸電動勢、兩個溫差電動式〔▲▲〕。實踐證明：①熱電偶回路所產生的電動勢主要是由接觸電動勢引起的，溫差電動勢所占比例極小，可以忽略不計；②又因為EAB(t)和EAB(t0)的極性相反，假設導體A的電子密度大于導體B的電子密度，那么A為正極、B為負極，因此回路的總電動勢為：影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關結論：1〕兩熱電極相同時，即nA(t)=nB(t)、nA(t0)=nB(t0)，總電動勢為0。2〕兩接點溫度相同時(t=t0)，總電動勢為0。3〕熱電偶產生的熱電動勢大小與材料(nA,nB)和接點溫度(t,t0)有關，與其尺寸、形狀等無關。4〕熱電偶在接點溫度為t1，t3時的熱電動勢等于此熱電偶在接點溫度為t1，t2與t2，t3兩個不同狀態(tài)下的熱電動勢之和，即EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)=EAB(t1)-EAB(t2)+EAB(t2)-EAB(t3)=EAB(t1)-EAB(t3)5〕電子濃度取決于熱電偶材料的特性和溫度，當A、B選定后，熱電動勢EAB(t，t0)就是兩接觸點t喝t0的函數差，即EAB(t，t0)=f(t)-f(t0)當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數，那么總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即可見：只要測出EAB〔T,T0〕的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數關系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內插法計算。tM——被測溫度值；tH——較高的溫度值；tL——較低的溫度值；EM、EH、EL——分別為溫度tM、tH、tL對應的熱電動勢。在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，那么對回路的總熱電勢沒有影響?！?〕中間導體定律應用：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。5.熱電偶的根本定律▲▲測量儀表及引線作為第三種導體的熱電偶回路〔2〕中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數和，即中間溫度定律中間溫度定律的應用根據這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導體A′和B′，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應用補償導線提供了理論依據。該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質,可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正?！?〕標準導體〔電極〕定律標準導體定律的意義通常選用高純鉑絲作標準電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，那么各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據標準電極定律計算出來。例：熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為－4.0mV，那么鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產生的熱電動勢應為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)〔4〕均質導體定律由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。即熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。意義：有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。為了適應不同生產對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

7.1.2熱電偶的結構與種類普通型熱電偶結構優(yōu)點：測溫端熱容量小，動態(tài)響應快；機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上。鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶特點：熱接點可以做得很小〔μm〕，具有熱容量小、反響速度快〔μs〕等特點，適用于微小面積上的外表溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。熱電極材料的選取性能穩(wěn)定溫度測量范圍廣物理化學性能穩(wěn)定導電率要高，并且電阻溫度系數要小材料的機械強度要高，復制性好、復制工藝簡單，價格廉價熱電偶的種類

標準化熱電偶的主要性能和特點熱電偶名稱正熱電極負熱電極分度號測溫范圍特點鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700℃（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領域得到廣泛應用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600℃（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標準熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻－鎳硅鎳鉻合金鎳硅K－200～＋1200℃（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關系近似線性、熱電動勢大、價格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900℃（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750℃（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價格低，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350℃（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價格低。在－200～0℃可制成標準熱電偶。缺點是銅極易氧化。

熱電偶的冷端溫度補償▲▲當熱端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢eAB(t,0)與熱電偶實際產生的熱電勢eAB(t,t0)之間的關系可根據中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數，在實際應用中，由于熱電偶冷端離工作端很近，且又處于大氣中，其溫度受到測量對象和周圍環(huán)境溫度波動的影響，這樣冷端溫度難以保持恒定，會帶來測量誤差，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。(1)熱電偶補償導線解決方法：工程中采用一種補償導線。在0～100℃溫度范圍內，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。常用補償導線熱電偶類型補償導線類型補償導線正極負極鉑銠10－鉑銅－銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的質量分數為0.6%）鎳鉻－鎳硅I型：鎳鉻－鎳硅鎳鉻鎳硅鎳鉻－鎳硅II型：銅－康銅銅康銅鎳鉻－康銅鎳鉻－康銅鎳鉻康銅鐵－康銅鐵－康銅鐵康銅銅－康銅銅－康銅銅康銅在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。(2)冷端0℃恒溫法當冷端溫度t0不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB〔t，t0〕加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。根據中間溫度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端溫度修正法t——工作段溫度t0——冷端的實際溫度0——冷端的標準溫度〔0℃，便于查表〕E〔t，t0〕——熱電偶工作在t與t0時，儀表測出的熱電動勢值E〔t，0〕和E〔t0，0〕——冷端溫度為0℃，工作點溫度為t和t0時的電動勢值〔由熱電偶分度表中查得〕例子：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢eAB〔t，t0〕為39.17mV,求加熱爐溫度。eAB〔t，0〕=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=39.17+1.203=40.373mV再從表中查得E(970,0)=40.096mV，E(980,0)=40.488mV解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得：eAB〔30，0〕=1.203mV可得：可得加熱爐溫度為：(4)冷端溫度自動補償法〔電橋補償法〕7.1.4熱電偶測溫線路測量單點的溫度特殊情況下，熱電偶可以串聯或并聯使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應在同一溫度下。如熱電偶正向串聯，可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點溫差時，可采用熱電偶反向串聯；利用熱電偶并聯可以測量平均溫度。測量兩點間溫度差〔反向串聯〕測量溫度之和優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且防止了熱電偶并聯線路存在的缺點，可立即可以發(fā)